基于ARM的真空斷路器觸頭磨損檢測(cè)系統(tǒng)

王 禹 ，楊 帆 ，李 巖 ，唐紅梅

（1.河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300130；2.吉林龍鼎電氣股份有限公司，吉林 吉林 132013）

真空斷路器是一種常見(jiàn)的電網(wǎng)開(kāi)關(guān)器件，它具有體積小、質(zhì)量輕，適合反復(fù)操作、滅弧效果好等優(yōu)點(diǎn)，在幾乎所有高壓電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處都可以見(jiàn)到它的身影[1]。它的最核心部件是真空滅弧室，滅弧室的作用是使其內(nèi)部觸頭在真空條件下完成合閘與分閘。但是在長(zhǎng)時(shí)間使用中，觸頭常會(huì)因斷路器反復(fù)開(kāi)關(guān)動(dòng)時(shí)的高溫電弧燒灼和劇烈碰撞產(chǎn)生磨損，當(dāng)磨損超過(guò)斷路器規(guī)定的限度（一般小于3 mm）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)合閘不靈，引發(fā)電網(wǎng)事故[2-4]。

當(dāng)前針對(duì)真空斷路器的研究主要只集中在滅弧室絕緣特性，機(jī)械性能，觸頭材質(zhì)研發(fā)，觸頭周?chē)姶艌?chǎng)的計(jì)算與分析等方面，卻很少在觸頭的磨損檢測(cè)進(jìn)行研究[9]。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，隨著斷路器動(dòng)觸頭的磨損，在每次合閘后，滅弧室動(dòng)觸頭的位置會(huì)出現(xiàn)細(xì)微變化，測(cè)量這個(gè)細(xì)微的變化可以準(zhǔn)確得出觸頭的磨損度，本文正是根據(jù)這個(gè)原理，針對(duì)斷路器磨損檢測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一種真空斷路器觸頭磨損在線檢測(cè)系統(tǒng)[5-7]。

1 從機(jī)的設(shè)計(jì)

本檢測(cè)系統(tǒng)由一臺(tái)主機(jī)適配器與數(shù)臺(tái)安裝在斷路器端的從機(jī)組成，如圖1所示。

1.1 從機(jī)的設(shè)計(jì)概述

如圖2所示，從機(jī)采用三星S3C6410作為核心板，它包含ARM11處理器、RAM、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、時(shí)鐘以及各種GPIO接口等資源。光電計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)監(jiān)視并向核心板報(bào)告斷路器合閘分閘動(dòng)作。從機(jī)使用抗干擾抗機(jī)械振動(dòng)較強(qiáng)的WDCD5位移傳感器向核心板發(fā)送磨損數(shù)據(jù)，以對(duì)抗斷路器的惡略工作環(huán)境。觸摸屏和LCD與核心板相連作為顯示和輸入設(shè)備。無(wú)線射頻模塊4432通過(guò)串口與核心板連接，負(fù)責(zé)與主機(jī)適配器通信，短信模塊AD3812通過(guò)串口與核心板相連，用于與操作員通過(guò)短信進(jìn)行控制通信和發(fā)送報(bào)警短信。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System chart

圖2 從機(jī)原理圖Fig.2 Slave schematic

從機(jī)的檢測(cè)與通信功能由3個(gè)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程1（檢測(cè)進(jìn)程）：如圖3所示，在設(shè)置好從機(jī)的所檢測(cè)的各路斷路器最大磨損量與開(kāi)關(guān)次數(shù)后，當(dāng)檢測(cè)到某路合閘信號(hào)時(shí)，從機(jī)自動(dòng)檢測(cè)出對(duì)應(yīng)路最新觸頭磨損數(shù)據(jù)與開(kāi)關(guān)次數(shù)并保存至工作日志，對(duì)比當(dāng)前各路觸頭磨損值是否達(dá)到初始化時(shí)設(shè)定的預(yù)設(shè)壽命，若此下位機(jī)檢測(cè)的某一觸頭出現(xiàn)磨損達(dá)到預(yù)設(shè)值，從機(jī)將把報(bào)警信息寫(xiě)入工作日志 （上位PC機(jī)能通過(guò)輪詢方式查詢到下位機(jī)報(bào)警信息），通過(guò)GSM短信向特定號(hào)碼發(fā)送報(bào)警短信，并使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)音。

進(jìn)程2（通信進(jìn)程）：如圖4所示，此程序負(fù)責(zé)使無(wú)線模塊保持低功率狀態(tài)守候來(lái)自主機(jī)的廣播信息，當(dāng)接受到主機(jī)廣播信息后自動(dòng)切換到高功率的接收狀態(tài)，接收解析來(lái)自主機(jī)的地址碼廣播，并比對(duì)廣播中地址碼是否與本機(jī)地址一致。若一致，則將日志文件中的最新的各個(gè)觸頭狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳給主機(jī)，而后恢復(fù)低功率等待狀態(tài)。若不一致則直接恢復(fù)低功率等待狀態(tài)。

進(jìn)程 3（短信控制進(jìn)程）：如圖5所示，此程序負(fù)責(zé)在開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行短信模塊初始化、設(shè)置控制短信密碼和短信中心號(hào)碼等，并在運(yùn)行中通過(guò)短信模塊發(fā)送報(bào)警信息以及接收并回復(fù)來(lái)自短信的控制信息。管理員可以通過(guò)短信控制從機(jī)，若發(fā)送指定格式控制短信至特定編號(hào)從機(jī)，短信模塊收到后會(huì)通過(guò)串口將短信編碼輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行PDU或7bit格式解碼，提取短信密碼、短信中心號(hào)碼、發(fā)送方號(hào)碼與控制信息。若密碼和控制信息與預(yù)設(shè)規(guī)則相符，按要求提取工作日志中數(shù)據(jù)，將短信中心號(hào)碼、發(fā)送方號(hào)碼、日志數(shù)據(jù)進(jìn)行PDU格式編碼并通過(guò)短信模塊發(fā)送回復(fù)。

圖3 檢測(cè)部分流程圖Fig.3 Detector flow chat

圖4 通信程序流程圖Fig.4 Communication flow chat

圖5 短信控制程序流程圖Fig.5 Sms controller program flow chat

1.2 從機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 LINUX移植與文件系統(tǒng)

從機(jī)搭載LINUX3.0.1操作系統(tǒng)，使用Uboot作為Bootloader，采用包含Qt2運(yùn)行庫(kù)的yaffs2文件系統(tǒng)。其中此版本的Uboot與LINUX內(nèi)核源碼中均包含針對(duì)S3C64xx的配置文件，僅需按S3C6410配置對(duì)源碼的.config文件稍作修改即可完成編譯工作，編譯好的內(nèi)核映像包含觸摸屏、ADC、NANDFlash等多數(shù)從機(jī)硬件的驅(qū)動(dòng)程序。

1.2.2 光電計(jì)數(shù)器、位移傳感器驅(qū)動(dòng)程序概述

光電計(jì)數(shù)器使用輸出一路TTL電平的紅外對(duì)射式光電計(jì)數(shù)器，輸出為低電平有效，三路計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)引腳分別連接 到 S3C6410 的 KEYINT1，KEYINT2，KEYINT3 引 腳 。KEYINT均為處理器的中斷引腳，計(jì)數(shù)器的設(shè)備文件為/dev/KEYDEVICE X。W-DCD5位移傳感器使用電源模塊提供的9 V直流電作為電源，根據(jù)位移的不同輸出0～3.3 V的模擬直流信號(hào)。將3個(gè)位移傳感器通過(guò)一個(gè)20針接口連接到核心板的GPIO接口，三路模擬信號(hào)分別作為S3C6410核心板的三路AD轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)[8]。設(shè)備文件分別是/dev/adc0，adc1，adc2。

2 主機(jī)工作流程與設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)工作流程

本系統(tǒng)的主機(jī)僅由一個(gè)U盤(pán)大小的無(wú)線射頻接收器作為主機(jī)適配器與一款PC機(jī)軟件組成，適配器經(jīng)過(guò)USB接口與PC連接。它能與檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)臺(tái)下位機(jī)進(jìn)行輪詢方式通信，監(jiān)視各下位機(jī)工作狀態(tài)，接收各下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并顯示在計(jì)算機(jī)軟件界面上，向指定下位機(jī)發(fā)送命令。連接好主機(jī)與主機(jī)適配器后，主機(jī)自動(dòng)加載無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)（windows XP或 windows 7系統(tǒng)），將無(wú)線模塊與指定的計(jì)算機(jī)端口建立連接。

圖6 主機(jī)程序流程圖Fig.6 Host program flow chat

2.2 主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)部分軟件使用QT5開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)。程序界面顯示各個(gè)從機(jī)所監(jiān)測(cè)的三路觸頭的磨損狀態(tài)與開(kāi)關(guān)次數(shù)。程序流程如圖6所示，當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行后，程序按順序循環(huán)發(fā)送包含不同地址碼的廣播信息，每次發(fā)送間隔為0.8 s。在這個(gè)時(shí)間間隔中主機(jī)等待來(lái)自指定下位機(jī)的含有檢測(cè)數(shù)據(jù)的回復(fù)信息，若收到回復(fù)信息，檢測(cè)軟件會(huì)將收到的檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示在相應(yīng)的下位機(jī)狀態(tài)欄處。在每次發(fā)送后到下次發(fā)送前的間隔中接收來(lái)自目標(biāo)從機(jī)的數(shù)據(jù)信息，并將目標(biāo)下位機(jī)上傳的檢測(cè)信息提取出來(lái)，顯示在界面上相應(yīng)窗口中。若0.8 s內(nèi)未收到下位機(jī)回復(fù)，則對(duì)應(yīng)圖標(biāo)顯示此下位機(jī)已失去聯(lián)系。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試

3.1 系統(tǒng)安裝

系統(tǒng)從機(jī)安裝在真空斷路器端。從機(jī)的3個(gè)位移傳感器通過(guò)可調(diào)旋鈕安裝在斷路器真空管下面，其探頭頂在與每個(gè)真空管的動(dòng)觸頭連桿上，完成這一步后調(diào)整每個(gè)傳感器下的可調(diào)旋鈕，使傳感器探頭有一定的預(yù)壓縮。將3個(gè)光電計(jì)數(shù)器安裝在每個(gè)動(dòng)觸頭連桿兩側(cè)。實(shí)驗(yàn)中使用兩臺(tái)從機(jī)，從機(jī)上電后，設(shè)置2臺(tái)從機(jī)地址碼分別為1與2。點(diǎn)擊從機(jī)觸屏上的清零鍵將每個(gè)預(yù)壓縮后的傳感器的位移變?yōu)榱隳p點(diǎn)，之后檢測(cè)到的磨損位移將以此位置作為起點(diǎn)。對(duì)斷路器進(jìn)行開(kāi)關(guān)測(cè)試，以判斷光電計(jì)數(shù)器是否正確安裝，從機(jī)是否可以檢測(cè)到斷路器的開(kāi)光動(dòng)作。設(shè)置斷路器的最大磨損值以及最大開(kāi)關(guān)次數(shù)，并將已有的數(shù)據(jù)清零。此時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)已經(jīng)處于工作狀態(tài)[9]。將主機(jī)接收模塊連接至PC機(jī)的USB接口，并將檢測(cè)軟件安裝在用于測(cè)試的PC機(jī)上。

3.2 組網(wǎng)測(cè)試

本次測(cè)試中使用兩臺(tái)從機(jī)與一臺(tái)主機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試，2臺(tái)主機(jī)從機(jī)距主機(jī)約為200～300 m。分別為2臺(tái)已安裝好的從機(jī)上電。為了使2臺(tái)斷路器分別出現(xiàn)先達(dá)到預(yù)設(shè)磨損量和先達(dá)到最大使用次數(shù)，筆者將1號(hào)從機(jī)的三路觸頭最大磨損值設(shè)置為3 mm，最大使用次數(shù)設(shè)置為20 000次，2號(hào)機(jī)的三路觸頭最大磨損值設(shè)置為5 mm，最大使用次數(shù)8 000次。打開(kāi)測(cè)試PC機(jī)中的檢測(cè)軟件，顯示網(wǎng)內(nèi)有2臺(tái)地址碼分別為1與2的從機(jī)，每臺(tái)從機(jī)上的3個(gè)斷路器對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)次數(shù)與磨損度均為0。

將開(kāi)高壓開(kāi)關(guān)測(cè)試儀設(shè)置為3路斷路器同時(shí)動(dòng)作。測(cè)試儀啟動(dòng)后，測(cè)試軟件界面上的對(duì)應(yīng)狀態(tài)值開(kāi)始變化，開(kāi)關(guān)次數(shù)開(kāi)始增加，磨損值變化較為緩慢。此時(shí)發(fā)送AB兩條控制短信至測(cè)試從機(jī)，控制信息要求從機(jī)發(fā)送當(dāng)前日志數(shù)據(jù)，A短信使用錯(cuò)誤密碼，B使用正確密碼，發(fā)送B號(hào)短信后，手機(jī)收到與當(dāng)前從機(jī)屏幕上的磨損數(shù)據(jù)一致的信息，而發(fā)送短信A后從機(jī)并未回復(fù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表1截取的是1號(hào)機(jī)三路斷路器開(kāi)關(guān)次數(shù)達(dá)到3 000次、6 000次和9 733次時(shí)從機(jī)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)。而表2是2號(hào)從機(jī)檢測(cè)到的三路斷路器開(kāi)關(guān)次數(shù)為3 000次、6 000次和8 000次時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。1號(hào)從機(jī)所在斷路器的B路觸頭在第9 733次合閘時(shí)（未到10 000次）磨損值便達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最大磨損值（3 mm），預(yù)設(shè)號(hào)碼手機(jī)立刻收到報(bào)警短信。我們隨即對(duì)1號(hào)從機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢測(cè)，磨損值測(cè)量的最大誤差出現(xiàn)在C路觸頭第6 000次時(shí)，最大誤差為0.78%。2號(hào)從機(jī)在達(dá)到預(yù)設(shè)最大斷路器開(kāi)關(guān)次數(shù)（8 000次）時(shí)手機(jī)收到報(bào)警短信，此時(shí)檢測(cè)到的三路觸頭的磨損值均為達(dá)到預(yù)設(shè)值，進(jìn)行停機(jī)檢測(cè)后，我們發(fā)現(xiàn)最大磨損值誤差出現(xiàn)在2號(hào)從機(jī)B路第3 000次時(shí)，最大誤差為0.66%。此次試驗(yàn)表明該檢測(cè)系統(tǒng)磨損檢測(cè)誤差為0.14～0.78%，完全滿足對(duì)斷路器觸頭磨損的檢測(cè)精度指標(biāo)，并且在試驗(yàn)中未出現(xiàn)從機(jī)脫機(jī)情況，滿足對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求。

表1 1號(hào)從機(jī)檢測(cè)值與實(shí)際值Tab.1 Detection value&actual value of slave1

表2 2號(hào)從機(jī)檢測(cè)值與實(shí)際值Tab.2 detection value&actual value of slave2

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試表明，該款基于S3C6410核心板的真空斷路器觸頭磨損在線檢測(cè)系統(tǒng)具有測(cè)量精度高（檢測(cè)誤差小于0.78%）、可靠性強(qiáng)、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)靈活性強(qiáng)、安裝使用方便等特點(diǎn)?？梢源蟠鬁p輕了斷路器真空管檢修的工作量。此系統(tǒng)每臺(tái)從機(jī)造價(jià)約為600元，主機(jī)適配器約為70元。應(yīng)用在中型斷路器上時(shí)成本約占總成本的3%～5%。

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